平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境模擬及污染負荷計算

管儀慶,陳　玥,張丹蓉,杜璇璇,田璽澤,陳玉壯

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明　650021;3.浙江杭州水文局,浙江 杭州　310009)

平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境模擬及污染負荷計算

管儀慶1,陳玥1,張丹蓉1,杜璇璇2,田璽澤3,陳玉壯1

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明650021;3.浙江杭州水文局,浙江 杭州310009)

摘要：根據(jù)臺州市河網(wǎng)地區(qū)水體的水動力、水質(zhì)特性及污染負荷,利用MIKE-11軟件,建立了河網(wǎng)一維水動力和水質(zhì)耦合模型。利用實測水位、NH3-N、COD質(zhì)量濃度進行了參數(shù)的率定和驗證。在水動力水質(zhì)模型的計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,計算水環(huán)境容量及其現(xiàn)狀入河污染物負荷,構(gòu)建了臺州市區(qū)河道污染物負荷歷時曲線,計算出COD和NH3-N在各個流量歷時區(qū)域內(nèi)的削減量和削減率,旨在為平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境保護和水資源管理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境模擬;污染負荷;MIKE-11;負荷歷時曲線;臺州市

平原河網(wǎng)地區(qū)是我國社會、經(jīng)濟、文化較發(fā)達的地區(qū),但隨著經(jīng)濟的發(fā)展,水環(huán)境問題日益突出,成為水質(zhì)型缺水地區(qū),制約了社會、經(jīng)濟的發(fā)展。人們?nèi)找嬷匾暫泳W(wǎng)地區(qū)水資源保護的研究,采取相應(yīng)的數(shù)值模擬方法進行水環(huán)境質(zhì)量的預測,旨在為水環(huán)境的合理規(guī)劃和管理提供科學依據(jù)。

國內(nèi)外許多學者針對水資源管理的需求做了大量水量水質(zhì)評價與模擬方面的工作。目前比較流行的水質(zhì)模型體系有:①Streeter-Phelps模型體系[1]。描述河流水質(zhì)的第一個模型是Streeter和Phelps于1925年研究美國Ohio河污染問題時建立的,隨后Thomas,Dobbins-Camp,O’Connor等人對其進行了修正。②QUAL模型體系[2]。美國環(huán)保局(USEPA)于1970年推出QUAL-I水質(zhì)綜合模型,1973年開發(fā)出QUAL-II模型,其后又經(jīng)過多次修訂和增強。③WASP模型體系[3]。由美國環(huán)境保護局于1983年發(fā)布的水質(zhì)模型系統(tǒng),可用于河流、湖泊、河口、水庫、海岸的水質(zhì)模擬。④BASINS模型體系[4]。由美國環(huán)保局發(fā)布的多目標環(huán)境分析系統(tǒng),其基于GIS環(huán)境,可對水系和水質(zhì)進行模擬。⑤OTIS模型體系[5]。由USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)開發(fā)的可用于對河流中溶解物質(zhì)的輸移模擬的一維水質(zhì)模型。該模型帶有內(nèi)部調(diào)蓄節(jié)點,狀態(tài)變量是痕跡金屬。⑥MIKE模型體系[6]。由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā),軟件功能涉及范圍從降雨、產(chǎn)流、河流,到城市、河口、近海、深海,從一維到三維,可用于模擬水動力、水環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)。國內(nèi)將水量水質(zhì)模型應(yīng)用于水環(huán)境的研究較多,河網(wǎng)水量模型的研究相對成熟,但水質(zhì)模型仍處于發(fā)展階段。田平等[7]應(yīng)用WASP模型計算出張家港平原水網(wǎng)區(qū)環(huán)境容量及在各鎮(zhèn)的空間分布,在此基礎(chǔ)上確定了整個區(qū)域的污染物目標總量;Kelleher等[8]利用OTIS模型對美國蒙大拿地區(qū)斯金格河流進行模擬,分析其敏感性參數(shù)和不確定性參數(shù),得到直接影響河流過程的物理特性;劉偉等[9]應(yīng)用MIKE-11模型提出了計算松花江流域納污能力的方法,并以吉林市工業(yè)用水區(qū)為例計算了功能區(qū)NH3-N的納污能力;戴文鴻等[10]比較了HEC-RAS和MIKE-11在糙率模擬上的不同效果,得出了不同情況下模型的適用情況;韓龍喜等[11]比較了水流水質(zhì)模型的優(yōu)缺點,提出了改進數(shù)值模擬計算的設(shè)想,特別提出根據(jù)陸域特征研究適用于平原河網(wǎng)地區(qū)的非點源污染負荷模型以及節(jié)點擴散質(zhì)輸移特征的精細模擬方法。

本文以臺州市為例,采用MIKE-11進行水環(huán)境模擬,并在MIKE-11模型基礎(chǔ)上,采用負荷歷時曲線模型計算各個流量歷時區(qū)域內(nèi)污染物的削減量和削減率,旨在為平原河網(wǎng)地區(qū)的水環(huán)境保護和水資源規(guī)劃提供參考。

1研究區(qū)概況

臺州市地處浙江省中部沿海地區(qū)(圖1),東瀕東海,陸域面積9 411 km2,水域面積約為604 km2,河網(wǎng)密布,相應(yīng)的水域面積率為6.3%;地勢由西向東傾斜,西部多高山,東部為大片海積平原,平原面積約占26.8%;屬于中亞熱帶季風區(qū),多年平均降雨量1 632 mm。2013年全市總水資源量為99.786 7億m3,但東部平原水資源較為緊缺,水資源與經(jīng)濟社會發(fā)展極不匹配。臺州市區(qū)河流可劃分為椒江水系(包括椒江干流、永寧江水系)和金清水系。研究區(qū)域河網(wǎng)見圖2。

圖1　臺州市地理位置

圖2　研究區(qū)域河網(wǎng)

根據(jù)2011年臺州市區(qū)水功能區(qū)各監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測資料進行水質(zhì)評價,評價河段總長度203.8 km,其中Ⅰ～Ⅲ類水的河長56.6 km,占評價河長的27.8%,Ⅳ～劣Ⅴ類水的河長占評價河長的72.2%,椒江區(qū)總體水質(zhì)最差,以劣Ⅴ類水為主。主要河流水質(zhì)見表1。河道污染主要為有機污染,所以選擇COD和NH3-N作為模型的模擬指標。

表1　主要河流水質(zhì)情況

2模型介紹

2.1水動力模型

研究采用MIKE-11水動力模塊(HD模塊)[12]。一維水動力模型控制方程為圣維南方程組:

(1)

式中:x為距離坐標;t為時間坐標;A為過水斷面面積;Q為流量;h為水位;q為旁側(cè)入流量;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;g為重力加速度。

該模型是利用Abbott六點隱式格式離散求解,該格式可以在比較大的Courant數(shù)下保持穩(wěn)定,所以在率定時可以取較長的時間步長,同時也可獲得高精度的模擬結(jié)果。

2.2水質(zhì)模型

水質(zhì)模型采用MIKE-11水質(zhì)模塊(AD模塊)計算。該水質(zhì)模型描述一維非恒定流是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程:

(2)

式中:ρ為模擬水質(zhì)指標濃度;D為擴散系數(shù);K為綜合衰減系數(shù);C2為源匯項濃度。

擴散系數(shù)表示水體中的污染物隨水體流動時在水流方向上擴散的速率,是一個綜合參數(shù)項。目標水體需要考慮對流擴散作用時,需要用中心和空間的隱式差分格式對方程組計算求解,其方程可通過經(jīng)驗估算得出:

(3)

式中:v為流速,來自水動力模型的計算結(jié)果;a、b為設(shè)定的參數(shù);

3水環(huán)境容量研究

3.1水動力模擬

建立河網(wǎng)水動力模型是建立水質(zhì)模型的基礎(chǔ),MIKE-11水動力模型運行需要5個文件:模擬文件、河網(wǎng)文件、河道斷面數(shù)據(jù)文件、河道邊界文件、模型水動力參數(shù)文件。

水動力模型的參數(shù)率定主要考慮的是河道糙率。糙率與河道形態(tài)、河床的粗糙情況、植被的生長狀況、水位的高低以及修建人工建筑物等因素有關(guān),是衡量河床邊壁粗糙程度對水流運動影響的一個重要參數(shù),其取值是河道一維數(shù)值模擬的關(guān)鍵,直接影響著水動力模型的計算精度[13]。本文將石柱站作為本次模型計算的參證站。石柱站位于臺州市區(qū)椒江區(qū)三甲街道二塘河上,設(shè)立于1960年,具有較好的系列代表性,基本處于本次模型計算河網(wǎng)水系的中心區(qū)域。將石柱站2006—2008年的實測日水位數(shù)據(jù)輸入模型進行模擬計算?？紤]到模型計算的穩(wěn)定性與計算時間的要求,假設(shè)糙率在0.025～0.03之間,時間步長設(shè)定為1min,率定時間從2006年1月1日至2008年12月31日,共計3年。經(jīng)過模型模擬得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3　石柱站水位率定結(jié)果

率定以后得到河道糙率為0.029。從圖3可以看出,模擬期內(nèi)模型計算的水位曲線與實測水位曲線吻合良好。通過計算得到石柱站水位模擬值與實測值的相對誤差為3.78%,表明所建水動力模型能夠較好反映該河段的水文水動力特征,能進一步應(yīng)用于河網(wǎng)水動力模型的驗證。

圖4　石柱站水位驗證結(jié)果

根據(jù)石柱站2009—2011年的水位數(shù)據(jù)對模型進行驗證,驗證結(jié)果見圖4。驗證結(jié)果表明,石柱站斷面處的計算水位與實測水位曲線吻合較好,計算得到模擬值與實測值的相對誤差為5.89%,表明所建的水動力模型具有良好的重現(xiàn)性,基本能復演臺州市河網(wǎng)的水流運動情況,可用于實際分析,進一步與水質(zhì)模型進行耦合。

3.2水質(zhì)模擬

在模型建立的河網(wǎng)系統(tǒng)中,水質(zhì)主要取決于以下因素:污染源(點源和非點源)、邊界條件、支流的匯入、水力條件、擴散系數(shù)和河網(wǎng)系統(tǒng)中污染物的生化特性。河流中主要污染因子為COD和NH3-N,所以本研究主要模擬河網(wǎng)中COD和NH3-N的質(zhì)量濃度變化過程,在水動力模型的基礎(chǔ)上利用MIKE-11水質(zhì)模塊對相關(guān)的水質(zhì)參數(shù)進行統(tǒng)一的率定。

率定采用石柱站2009—2010年的水質(zhì)數(shù)據(jù)。筆者首先利用式(3)估算臺州河網(wǎng)中NH3-N和COD的擴散系數(shù),代入模型進行率定計算,率定結(jié)果見表2和圖5。

表2　水質(zhì)模型參數(shù)率定結(jié)果與誤差

圖5　石柱站NH3-N、COD的率定

由圖5可以看出,模型的計算結(jié)果與實測值能夠較好地吻合,計算出的NH3-N和COD質(zhì)量濃度實測值與模擬值之間的相對誤差分別為23.66%和20.75%,均在誤差允許范圍之內(nèi),說明模型各個參數(shù)設(shè)置已經(jīng)可以近似模擬河網(wǎng)中污染物質(zhì)量濃度變化過程。

為了進一步驗證模型的精確性,采用2011年石柱站NH3-N和COD質(zhì)量濃度資料數(shù)據(jù)對模型進行驗證,驗證結(jié)果見圖6。從圖6可以看出,該模型已可較好地模擬臺州市河網(wǎng)中NH3-N和COD質(zhì)量濃度的變化過程?？梢?可以運用該模型對臺州市區(qū)河道90%保證率水位情況下的水環(huán)境容量進行計算。

圖6　石柱站NH3-N、COD的驗證

3.3水環(huán)境容量計算

水文條件是影響研究水體納污能力的主要因素。根據(jù)SL348—2006《水域納污能力計算規(guī)程》的規(guī)定,計算河流水域納污能力和限制排污總量,應(yīng)采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計流量。本次計算均采用90%保證率水文條件進行計算。在進行水體水環(huán)境容量計算時,需要確定水體中污染物的初始濃度和目標水質(zhì)中污染物濃度。本次研究采用水質(zhì)較好的II類水作為初始水質(zhì)條件,各河流水質(zhì)保護目標按《浙江省水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃分方案》要求取用,以Ⅳ類水作為各河段預期達到的水質(zhì)目標,依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》, COD與NH3-N的初始質(zhì)量濃度分別為15 mg/L和0.5 mg/L,目標質(zhì)量濃度分別為30 mg/L和1.5 mg/L。

一維水質(zhì)模型水環(huán)境容量計算公式[14]為

(4)

式中:W為河流水環(huán)境容量,t/a;Q為河流流量,m3/s;q′為排入河流的污水流量,m3/s;ρ0為河流污染物質(zhì)量濃度,mg/L;ρ′為目標水質(zhì)污染物質(zhì)量濃度,mg/L;K1為污染物的一級衰減系數(shù),d-1;l為河流長度,m;ux為河流平均流速,m/s。

基于之前建立的水動力水質(zhì)模型,將得到的流量系列和污染物質(zhì)量濃度根據(jù)式(4)進行90%保證率流量下水環(huán)境容量的計算,計算結(jié)果見表3。

表3　90%保證率水位下臺州市區(qū)河道水環(huán)境容量 　t/a

根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)和相應(yīng)水文條件,采用一維模型估算進入各河流的現(xiàn)狀入河污染物量,計算結(jié)果見表4。

表4　臺州市區(qū)河道現(xiàn)狀入河污染物量估算結(jié)果　t/a

通過對比表3和表4,可以看出7條河流的COD和NH3-N的入河量均超出了河流的水環(huán)境容量,說明COD與NH3-N的排放量超過了水體的容納量,因此需要對臺州市河道進行污染物總量控制,對COD和NH3-N進行污染負荷分配,削減其入河量,改善水體水質(zhì)。

4河道污染物負荷計算

4.1歷時曲線法

1959年,污染物負荷歷時曲線首次由Searcy[15]提出,之后又被廣泛應(yīng)用于TMDL(total maximum daily loads)計劃[16]中,在美國污染物總量控制中被大量采用,在國內(nèi)也受到重視,應(yīng)用于贛江流域TMDL計劃中[17],對水環(huán)境的控制起到著重要的作用。歷時曲線法包括流量歷時曲線(flow duration curves,FDC)和負荷歷時曲線(load duration curves,LDC)。

繪制流量歷時曲線時需要將流量按大小順序排列,然后計算各個流量的保證率,建立流量Qi與保證率的關(guān)系曲線。保證率Pi用經(jīng)驗頻率法計算[18],見公式(5)。

(5)

式中：Pi為流量為Qi時的保證率;m為Qi序號;n為流量總個數(shù)。

負荷歷時曲線表示污染物在流量為Qi、保證率為Pi下的最大日負荷量TMDLi。污染物最大日負荷的估算,首先要通過污染物與目標水體水質(zhì)之間的關(guān)系推斷目標水體達到目標水質(zhì)時,水體能接受的最大污染負荷量,并且確定安全臨界值。水體污染物最大日負荷量TMDLi理論估算公式為

(6)

式中:ρs為污染物目標質(zhì)量濃度,mg/L;Qi為流量,m3/s;K′為單位轉(zhuǎn)換系數(shù),86.4。

4.2曲線繪制

對石柱站2009—2011年的實測日流量系列數(shù)據(jù)進行處理，得到石柱水文站監(jiān)測斷面的流量歷時曲線,并將流量歷時曲線劃分為5個流量歷時區(qū)域,見表5和圖7。

表5　流量歷時分區(qū)

圖7　流量歷時曲線

由流量歷時曲線和污染物濃度的目標值,得到NH3-N和COD的最大日負荷歷時曲線,見圖8。

4.3主要污染物的年內(nèi)變化

對臺州市區(qū)河網(wǎng)中COD與NH3-N年內(nèi)變化特征進行分析,可以更好地了解河道內(nèi)流量的年內(nèi)分布特征以及河道水環(huán)境容量的年內(nèi)變化狀況,為污染物總量控制目標的制定提供科學依據(jù)。根據(jù)臺州市區(qū)石柱站2009—2011年的日平均流量序列,構(gòu)建COD與NH3-N年內(nèi)各月的流量歷時曲線與負荷歷時曲線,根據(jù)流量歷時曲線與負荷歷時曲線得到COD與NH3-N年內(nèi)各月在不同流量保證率下的最大日負荷,見圖9。

圖8　COD、NH3-N最大日負荷歷時曲線

圖9　COD、NH3-N最大日負荷月變化

由圖9可以看出,由于臺州市區(qū)河道內(nèi)流量年內(nèi)月變化顯著,造成不同月份COD與NH3-N在相同流量保證率下的最大日負荷具有較大的波動,因此，分析COD與NH3-N年內(nèi)最大日負荷變化特征,對制定總量控制的月變化目標具有重要意義。在12月份到次年的2月份,河道對COD與NH3-N的日納污能力很低,主要是因為該時期處于枯水期,河道流量小,其中1月份的日納污能力最低。在3—10月的豐水期,河道對COD與NH3-N的日納污能力很高,最高為8月,最低為5月。全年各月的平均負荷均大于50%流量保證率的最大日負荷,有的甚至相差特別大,如8—10月份,說明存在的污染問題十分嚴重。

4.4允許負荷量及負荷削減量的計算

根據(jù)流量歷時曲線與COD和NH3-N濃度的目標值,得到NH3-N和COD的最大日負荷歷時曲線, 以散點的形式將COD和NH3-N的實測日負荷繪制到負荷歷時曲線上,見圖10。從圖10可以看出,臺州市區(qū)河道COD實測日負荷一部分超過最大日負荷,一部分值低于最大日負荷,而NH3-N的實測日負荷均超過最大日負荷,說明NH3-N的超標程度很嚴重。

圖10　COD、NH3-N負荷歷時曲線與實測日負荷

對每個流量歷時區(qū)域內(nèi)COD和NH3-N的實際日負荷進行整理分析,將每個流量歷時區(qū)域內(nèi)90%保證率下的日負荷作為該區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有負荷,區(qū)域中點對應(yīng)的負荷歷時曲線的值作為此區(qū)域內(nèi)COD和NH3-N的允許負荷,其中,高流量區(qū)選取保證率為10%對應(yīng)的值作為該區(qū)域的允許負荷,低流量區(qū)選取90%對應(yīng)的值作為該區(qū)域的允許負荷。比較COD和NH3-N的現(xiàn)有負荷與允許負荷,得到每個流量歷時區(qū)域內(nèi)COD和NH3-N所需要的削減量和削減率,見表6。

表6　COD、NH3-N的負荷與削減情況

COD的削減率大約在46%～76%之間,其中枯水區(qū)最高,能達到75.73%;氨氮的削減率在65%～90%之間,高流量區(qū)和枯水區(qū)較高,分別為89.39%和87.99%。說明臺州市河網(wǎng)地區(qū)污染物超標排放情況十分嚴重,特別是枯水時期水量較小的情況,河道的自凈能力很差,河水很容易發(fā)黑發(fā)臭,不僅危害河流及周邊的生態(tài),也對附近的居民帶來嚴重影響。政府和有關(guān)企業(yè)、部門必須嚴格進行控制和管理,才能改善臺州地區(qū)河網(wǎng)的水質(zhì)狀況,提高生態(tài)環(huán)境。

5結(jié)論

筆者應(yīng)用MIKE-11模型模擬臺州市區(qū)河道水質(zhì),并以流域污染物總量控制為核心,根據(jù)收集的水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建臺州市區(qū)河道COD與NH3-N的負荷歷時曲線,主要的結(jié)論如下:

a. 通過不斷調(diào)整參數(shù)對臺州市區(qū)河道的糙率、污染物的擴散系數(shù)和降解系數(shù)進行率定,得到糙率為0.029,擴散系數(shù)為10 m2/s,COD和NH3-N的降解系數(shù)分別為0.000 6/h和0.000 4/h。驗證結(jié)果表明,該模型已可以較好地模擬臺州市河網(wǎng)的水位,COD以及NH3-N濃度變化過程。

b. 在水動力水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,利用水環(huán)境容量公式計算出臺州市各主要河流的水環(huán)境容量,COD為3 714 t/a,NH3-N為182.99 t/a,并預測其現(xiàn)狀入河污染物的量,COD為11 201.6 t/a,NH3-N為1 432.5 t/a。說明COD與NH3-N的排放量超過了水體的容納程度,因此需要對臺州市河道進行污染物總量控制,對COD和NH3-N進行污染負荷分配,削減其入河量,改善水體水質(zhì)。

c. 基于流量歷時曲線,根據(jù)臺州市區(qū)河道2009—2011年流量系列,構(gòu)建臺州市區(qū)河道COD與NH3-N的負荷歷時曲線。將每個流量歷時區(qū)域內(nèi)90%保證率下的日負荷作為該區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有負荷,比較COD、NH3-N的允許負荷與現(xiàn)有負荷,計算出各流量分區(qū)COD和NH3-N需要的削減量和削減率,COD的削減率大約在46%～76%之間,其中枯水區(qū)最高,能達到75.73%;NH3-N的削減率在65%～90%之間,高流量區(qū)和枯水區(qū)較高,分別為89.39%和87.99%。政府和有關(guān)企業(yè)、部門應(yīng)嚴格按此要求進行控制和管理,以改善臺州地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)條件,改善生態(tài)環(huán)境。

更多的平原河網(wǎng)地區(qū)面臨著同樣甚至更加嚴重的水污染問題,將MIKE-11模型和污染負荷曲線相結(jié)合計算污染負荷所需削減量的方法應(yīng)用于其他類似地區(qū),可為改善水環(huán)境,治理水污染,保護水生態(tài)提供依據(jù)。

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Aquatic environmental simulation and pollutant load calculation in plain river networks

GUAN Yiqing1, CHEN Yue1, ZHANG Danrong1, DU Xuanxuan2, TIAN Xize3, CHEN Yuzhuang1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.YunnanInstituteofWaterandHydropowerEngineeringInvestigation,DesignandResearch,Kunming650021,China;3.HangzhouHydroloyBureauofZhejiangProvince,Hangzhou310009,China)

Abstract：Based on the hydrodynamic and water quality characteristics, and pollutant load of the river networks in Taizhou City, the software MIKE-11 was adopted to establish a one-dimensional hydrodynamic and water quality coupling model. The model’s parameters were calibrated and verified in terms of the measured water level, NH3-N, and COD concentrations in the river networks. On the basis of the model, the water environmental capacity and the pollutant load were calculated. In addition, the pollutant load duration curve for the rivers in Taizhou City was built. The reduction amounts and reduction rates of NH3-N and COD in all flow duration regions were calculated. This study aims to provide a basis for water environmental protection and water resources management in plain river networks.

Key words：aquatic environmental simulation; pollutant load; MIKE-11; load duration curve; Taizhou City

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.023

作者簡介:管儀慶(1964—),男,副教授,博士,主要從事水資源與水環(huán)境方面的研究。E-mail:yiqingguan@hhu.edu.cn

中圖分類號：X522

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0111-08

(收稿日期：2015-12-28編輯：彭桃英)